张联盟院士：《超材料产业的发展及面临的挑战与机遇》
作者：张联盟（中国工程院院士，武汉理工大学材料学科首席教授）
超材料指由人工结构构成、具有超常性质的人工材料。在研究超材料的过程中形成了全新的材料构造方法，即设计人工功能单元，在不违背物理学基本规律的前提下，获得与自然物质性质迥异的“新物质”。诸多具有新奇特性的新型人工材料，为信息技术、能源技术、航空航天、生物医学工程等领域提供了变革性技术支撑，得到世界各国的广泛关注，被视为21世纪前10年的重大突破之一。超材料发展历程接近30年，立足大量研究工作的积累，有关新原理、新功能的实现进入爆发期。超材料的工程应用开始起步，面临着较强劲的需求，相关产业链也进入萌生阶段。与产业化、工程化对应的超材料规模化制备则进入了瓶颈期。可以认为，超材料当前所处的特殊阶段恰是国家战略介入的机遇期。
一、超材料发展的现状及趋势
超材料自概念提出后，一直是基础研究的活跃前沿。应用超材料思想发展了众多颠覆经验及常识的新型材料性质，从早期的电磁波负折射、完美隐身、完美透镜，到后来的类量子效应、时变效应、光电直接转换、超常力学性质等。
电磁（光学）超材料是超材料研究最为活跃的方向。电磁超材料发轫于微波段，当前的研究热点集中在可见光、太赫兹、红外、极紫外等频率范围，包括动态可调及可重构超材料（如基于相变材料的辐射制冷、红外微波太赫兹吸波、人工单元耦合的Fano谐振），量子超材料（如石墨烯拓扑超导量子模拟、基于二维材料的光学调制、全光芯片计算、超材料模拟轴子暗物质），片上结构设计超材料（如电子学超材料、极紫外硅基直超表面、倾斜扰动结构的超表面），多维复用技术超透镜（如多维光场多功能、局域共振微腔涡旋光、双曲超材料合成复频波、超表面偏振复用）。在开放系统的量子实际应用过程中，同步出现了非厄米超材料、时间晶体等前沿研究方向。在应用基础研究层面，正在拓展至深空／深海／深地探测、高定向电磁对抗、第六代移动通信（6G）、绿色能源等国民经济与国防建设领域。
声学超材料是在电磁超材料原理启发下向超材料声波调控功能的拓展，通过亚波长尺度的结构单元设计，突破自然材料的物理限制，实现负等效质量密度、负模量等反常特性。近年来，声学超材料在微尺度超声控制、逆向设计方法、声子物理模拟、声波负折射与隐身等方向上取得引人注目的进展，在高端和国防装备领域具有广阔的应用前景。
在机械（力学）超材料方面，通过各种机械微结构单元实现传统材料难以具备的超常力学特性等研究较活跃，涉及负泊松比、负刚度、可调模量、轻质高强的超材料，涵盖结构设计、性能预测、应用拓展、智能化发展。机械（力学）超材料研究正在从单一的力学性能拓展至多物理场耦合与智能响应，相关设计范式的革新（如深度学习驱动）、跨学科应用的潜力（如航空航天、生物医疗）标志着材料科学朝着功能化、智能化方向迈进。
热学超材料作为通过人工微结构设计实现热流定向调控的新型功能材料，可突破传统材料在热传导、对流、辐射方面的物理限制，实现热隐身、热集中、热整流等功能，成为超材料研究的另一重要方向。热学超材料在电子元器件热管理、辐射制冷、热能利用、红外隐身等方面表现出颠覆性应用的潜力，受到更多的关注。
超材料成功解决了凝聚态物理研究中的一个重要难题（如何通过理论设计和模拟获得期望的材料性能），已成为人工构筑新物理机制及系统的重要依托。超材料在量子体系（如人工规范场、拓扑量子系统、量子 ‒ 经典对应）模拟，拓扑物理与拓扑相变（如拓扑边界态、非厄米拓扑）模拟，引力与宇宙学（如类时空弯曲、膨胀宇宙模型）模拟，非平衡态统计物理系统（如活性物质动力学、热力学极限突破）模拟等方面正在发挥积极作用，成为连接经典与量子物理、低维与高维理论、平衡与非平衡态体系的独特实验工具，具有的“人工物理实验室”属性也将加速新物理理论的验证与技术创新。
近年来，受基础研究积累和应用需求的驱动，超材料研究呈现新变化：从单纯地探究“新物质”或材料物理性质的新奇性转向由变革性技术牵引，从新原理探索、新性能演示逐步转向新型器件构筑，从单一性能的演示转向综合性能的优化以及材料可用性的拓展，从构成简单、物理图像清晰的单元材料过渡到更具实用价值的多元材料体系，从“基元 ‒ 序构 ‒ 性能”的正向设计路径、通过调整及优化参数来探索新的性能与应用，转向基于人工智能（AI）技术从性能反推超材料基元及序构、进而一次性获得超材料。相关超材料研究热点的变化，体现出从基础科学问题逐渐转向技术与应用问题的研究趋势。
我国超材料研究居于国际第一梯队，如全球超材料领域发表的论文有近30%来自中国，超材料领域的高影响论文逾半数来自中国。在超材料知识产权分布方面，我国占全球专利申请量的1/3。尽管我国学者已是国际超材料研究的主导力量之一，但超材料应用研究方面的表现仍不够突出。
尽管超材料在出现之初即呈现良好的产业应用前景，但在相当长的时间内产业化进展明显滞后于社会预期，一直没有形成规模较大的产业和量大面广的实际应用。近年来，全球范围内为数众多的超材料初创企业悄然出现，标志着超材料产业出现了快速发展势头。就当前的超材料产业看，体量最大的应用积聚在国防军工领域，增长最快的应用是（无线）通信领域，最具吸引力的应用位于光学领域。此外，生物医学、高端制备、能源工程等领域中的新材料产业化初见端倪。
二、超材料的产业化方向
尽管超材料在出现之初即呈现良好的产业应用前景，但在相当长的时间内产业化进展明显滞后于社会预期，一直没有形成规模较大的产业和量大面广的实际应用。近年来，全球范围内为数众多的超材料初创企业悄然出现，标志着超材料产业出现了快速发展势头。市场研究机构对超材料产业的预测趋于乐观，如2024—2029年全球超材料市场将从2.2亿美元增长到13.8亿美元。就当前的超材料产业看，体量最大的应用积聚在国防军工领域，增长最快的应用是（无线）通信领域，最具吸引力的应用位于光学领域。此外，生物医学、高端制备、能源工程等领域中的新材料产业化初见端倪。
1、无线通信。超材料可用于制作各种高性能天线，获得更强的功能、更小的尺寸、更宽的设计自由度、更好的可重构性。例如，基于超材料的小型化雷达在自动驾驶、智能交通等方面应用前景广阔；智能超表面是可以实时调整无源反射元件的吸收、反射、折射、相位，进而将入射电磁信号引导到所需方向的新型超材料器件，在6G应用上被寄予厚望；基于超材料的无源感知系统有望在物联网中得到较多应用。
2.、国防军工。国防军工是当前超材料的最大应用市场，超材料可在飞行器电磁隐身、雷达散射截面控制等方面发挥特殊的作用，在声隐身、激光武器防护、装备能量吸收等方向也有良好的应用潜力。新一代飞机等装备对轻量化、隐身化、环境适应性提出了极高要求，将提高超材料在相关结构部件、功能组件中的应用占比。
3、光学与光电子工程。光学器件一直是最具市场前景的超材料研究方向。基于超材料的高分辨光学成像、超薄透镜等为高端光学仪器提供了变革性技术路径，也为增强现实／虚拟现实技术实现提供了新手段。基于超材料的亚波长光子学为克服光信息技术面临的光学器件尺寸偏大、集成困难等问题提供了解决方案。此外，超材料在特种激光光源、全息光学、光信息存储等方面也有一定的应用前景。
4、AI算力。当前，AI应用迅速崛起，算力成为制约AI发展的主要因素之一。以光子代替电子实现更高速度、更大容量、更低能耗的信息处理概念虽早已提出，但光子元件受制于光波长尺度而无法像电子元器件一样进行大规模集成，因而一直未能获得实际应用。基于超材料的光计算技术进展较快，有望打破这一发展僵局，实现亚波长光学器件的集成，使光子学芯片的大规模集成成为可能，为AI算力的跃升开辟新技术途径。
5.、能源工程。基于超材料的辐射制冷技术应用前景广阔，有望形成一定规模的应用市场。超材料的高效光（电磁波）捕获能力为太阳能电池发展注入了新的活力，也为无源能量收集提供了新方案。超材料有望应用于无线能量传输，在发射器、接收器之间产生电磁场以传输电力，在远距离无线充电器、生物医学植入物、电动汽车等设备上有着良好的应用前景。
6.、生物医学工程。电磁超材料在磁共振影像增强，高选择性、高灵敏度生物医学检测方向的应用初见成效。超材料生物传感器可有效提高光学生物传感器的灵敏度和品质因数，实现更低的浓度检测极限。此外，机械（力学）超材料在组织工程、人造骨骼等方面也有良好的应用潜力。
7、高端装备。声学超材料契合高速铁路车辆等装备的减振降噪需求，机械（力学）超材料在机器人、低空飞行器等装备上有望获得规模化应用。加载超材料的射电天文望远镜可大幅提高观测的灵敏度和分辨率。此外，超材料也开始探索应用于暗物质探测等科研装备。
8、超构工程。基于超材料的工程设计理念有望在一些大型工程上获得应用，如大型建筑物的抗震结构、海浪防护结构、桥梁骨架结构、太阳能电池板的折纸超材料结构等。尽管这些大尺寸结构设计超出了“材料”范畴，但技术革新价值明确、潜在应用规模较大。
三、超材料产业面临的挑战和新机遇
超材料产业的发展部署仍存在一些不足：政策覆盖范围广，超材料概念泛化，强调“面面俱到”而重点不够突出，发展目标不够聚焦；指标导向较强，而战略导向不足；对关键环节、技术瓶颈问题的把握不够精准，产业链事宜未得到应有关注。
1、制备技术。制备技术仍是各国发展超材料的主要瓶颈环节。以受到较多关注的光学超材料为例，尽管应用前景清晰、需求明确，但众多的研究工作仍位于原理层次，主要原因是高精度的制备加工手段缺乏；实现具有复杂结构的三维光学超材料技术难度极大，导致很多工作聚集在制备难度较低、与半导体工艺兼容度高的超表面方向，但理想的实验室结果依然稀缺。超材料的进一步发展及其工程应用，强烈依赖各种尺度的高精密材料加工制备技术。
2.、测试与表征技术。超材料的种类和性能参数多样，构建标准化的测试表征技术难度较大。特别是结构单元属于微观尺度的超材料（如光学超材料）、工作尺度位于超大尺度的超材料（如通信和隐身用超材料）、特殊服役环境下的超材料（如减震机械超材料），在工作环境条件下的服役性能监测依然缺乏有效手段。
3、工程化技术。超材料较常规材料具有更高的设计自由度和性能空间，但与常规材料源于自然、易于获得的特点不同，制造超材料人工结构通常需要更复杂的技术、更高的成本，成为制约超材料产业化、超材料量大面广应用的重要因素。此外，器件化工程中超材料与其他材料的兼容性、超材料器件与其他器件的集成等问题，也是制约超材料产业化发展、规模化应用的因素。
4、产业链。除了少数具有明确需求的应用（如军用隐身、超材料共型天线）涉及的超材料，多数超材料的产业化发展驱动力都源于新型功能器件。超材料的研发力量以小型初创企业为主，无论是上游的原材料、制备、测试装备，还是下游的应用场景，均未充分发育，也都不够完善，制约了超材料产业成型和壮大的速度。
5、研发人才。超材料研发需要跨学科的专业基础、较强的理论基础、良好的综合交叉能力，而全球范围均存在超材料高水平研发人员匮乏的情况。国内交叉学科领域的人才培养质量不能满足批量培育高水平超材料研发人员的要求，而高校、科研院所在超材料基础科研的旺盛需求，与超材料企业构成了直接的人才竞争关系。
AI技术发展迅速，成为超材料产业发展最主要的机遇条件。AI技术为超材料设计提供了强有力的工具，超材料为解决作为AI技术应用基础的算力问题提供了新途径，因而超材料与AI技术具有良好的互促发展前景。
6、AI技术在超材料设计中的应用。超材料原理清晰，是具有可逆向设计特性的材料类型。传统的超材料设计方法依赖物理模型、试错法、基于经验的参数优化，但设计需求的多样化、结构的复杂化致使传统设计方法的局限性逐渐显现。例如，超材料设计的计算资源需求高，导致设计过程效率低下；超材料的发现依赖设计者的经验和直觉，需要设计者具有宽广的专业知识；超材料的设计优化过程复杂且不易收敛，试错法的局限性突出表现在仅能进行设计空间内的有限探索。机器学习、数据挖掘、神经网络等AI技术，为超材料设计提供了理想的能力支持，可有效克服传统超材料设计方法的缺陷、大幅提高超材料设计效率，有望促成快速高效、智能化的超材料研发范式。
7、超材料在AI技术演进中的应用。按照目前的AI技术发展速度，算力需求每年将增长10倍，而实际上全球算力的年均增长速度不足50%，因而算力成为制约AI技术演进的瓶颈环节。另外，立足当前以微电子学为基础的计算技术，训练新一代生成型AI系统产生的电力消耗将远超预期，导致常规能源系统难以承担。为此，使用光子而非电子进行计算的光计算技术，具有高速度、大容量、低能耗、易于并行的特点，有望克服电子计算的性能瓶颈、大幅提升计算速度，成为支撑未来AI技术演进的理想计算技术形式。然而，受制于光学器件衍射极限，单一光学（光子）器件尺寸较大，难以像电子器件一样实现单一器件的纳米尺度构建与大规模集成，导致大算力光信息处理系统建设面临重大挑战。针对这一问题，超材料可提供出路：超材料可在亚波长尺度上对电磁波进行高自由度的调制，能够与现有的芯片技术进行兼容和集成，有望为大规模集成的光计算系统提供符合预期的材料能力。国际上的一些前沿研究成果证明了将超材料用于光计算的可行性及先进性[30]。光计算技术发展需求也为超材料规模化应用提供了难得的机遇。
作者介绍：
张联盟：中国工程院院士、亚太材料科学院院士，武汉理工大学材料学科首席教授、特种功能材料技术教育部重点实验室主任，入选国家“百千万人才工程”第一、二层次人选，国家教学名师、全国优秀科技工作者，我国梯度复合材料领域的著名学术带头人。曾任武汉工业大学硅酸盐工程系粉体教研室主任、武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室第一研究室主任、武汉工业大学材料科学与工程学院院长、武汉工业大学校长助理兼武汉工业大学材料科学与工程学院院长、武汉理工大学党委常委兼副校长、特种功能材料技术教育部重点实验室主任。张联盟长期致力于梯度材料的功能创新与设计、制备技术创新与工程化应用，针对国家高技术、国防安全对新材料的需求，率领团队致力于材料的梯度功能设计与创新、材料的梯度化制备技术创新与应用，取得多项重要的科技成果。承担了国家自然科学基金项目、国家"863"高技术项目、国家计委专项以及省、部级以上其他项目12项，承担的科研项目有国家自然科学基金、教育部博士点基金、国家计委专项和市科委项目等；发表SCI收录论文400余篇，编、译著6部，授权国家发明专利70多项。获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、国家级教学成果二等奖各1项，省部级科技一等奖5项。
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